GB T 3389.1-1996 铁电压电陶瓷词汇.pdf

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1、前言本标准在 的基础上增加了铁电 压电陶瓷材料性能和工艺方面的名词术语本标准从实施之日起 同时代替本标准由中华人民共和国电子工业部提出本标准由电子工业部标准化研究所归口本标准起草单位山东大学本标准主要起草人张沛霖中华人民共和国国家标准铁电压电陶瓷词汇代替国家技术监督局 批准 实施范围本标准规定了铁电压电陶瓷名词术语的定义和符号其内容包括陶瓷种类 材料性能与测试以及工艺本标准适用于电子船舶引燃引爆等技术领域使用的铁电压电陶瓷引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文 本标准出版时所示版本均为有效 所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性电子陶瓷

2、名词术语符号表本标准所采用的符号及名称 单位见表表 本标准所用的符号 名称及其单位序号符号名单位十倍时间老化率面积宽度电介质试样的等效并联电容受夹电容部分受夹电容自由电容压电振子简化等效电路的动态电容压电振子简化等效电路的并联电容弹性刚度常数短路弹性刚度常数开路弹性刚度常数电位移上标 表示在恒定电位移条件下直径表 续序号符号名称单位压电应变常数 或等静压压电应变常数电场强度矫顽电场强度上标 表示在恒定电场强度条件下压电应力常数 或恒定力频率反谐振频率电纳为零最大导纳最小阻抗 频率最小导纳最大阻抗 频率并联谐振频率谐振频率电纳为零串联谐振频率包含振子的传输网络的最大传输频率包含振子的传输网络的最

3、小传输频率压电电压常数 或压电劲度常数 或交变电流机电耦合系数平面机电耦合系数厚度伸缩振动机电耦合系数厚度切变振动机电耦合系数横向机电耦合系数纵向机电耦合系数压电振子简化等效电路的动态电感长度压电振子的优值质量频率常数有功功率极化强度剩余极化强度自发极化强度热释电系数一级热释电系数二级热释电系数表 续序号符号名称单位无功功率电学品质因数电致伸缩系数机械品质因数电介质试样的等效并联电阻反谐振电阻谐振电阻压电振子简化等效电路的动态电阻应变上标 表示在恒定应变条件下弹性柔顺常数开路弹性柔顺常数短路弹性柔顺常数应力上标 表示在恒定应力条件下居里温度频率温度系数参数 的温度系数时间厚度交变电压功弹性能密

4、度介电能密度弹性介电相互作用能密度随时间变化的某一参数压电振子的最大导纳压电振子的最小导纳压电振子并联支路的导纳压电振子串联支路的导纳压电振子的最小阻抗压电振子的最大阻抗线膨胀系数介质隔离率受夹介质隔离率自由介质隔离率表 完序号符号名称单位电容比介电损耗角受夹电容率受夹介电常数部分受夹电容率部分受夹介电常数自由电容率自由介电常数相对电容率相对介电常数受夹相对电容率 受夹相对介电常数自由相对电容率 自由相对介电常数真空电容率真空介电常数表面电阻率体积电阻率温度电学短路条件下的泊松比相位角角频率串联谐振时的角频率基本术语极化在电场作用下 电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性分子按电场方向转动的现象

5、 称为电介质的极化自发极化在没有外电场作用时 铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化 称为自发极化在垂直于极化轴的表面上 单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度 它是一个矢量用表示其单位为铁电性某些材料在一定温度范围内具有自发极化而且其自发极化可以因外电场的作用而转向 材料的这种特性称为铁电性铁电畴铁电体内部分成若干个小区域自发极化方向一致的区域称为铁电畴简称电畴 两个畴之间的界面称为畴壁电滞回线在较强的交变电场作用下 铁电体的极化强度 随外电场呈非线性变化而且在一定的温度范围内 表现为电场 的双值函数呈现出滞后现象 如图 所示 这个 或 回线就称为电滞回线剩余极化强度

6、 自发极化强度 矫顽电场强度图 铁电体的电滞回线反铁电性反铁电体是一种反极性晶体 由顺电相向反铁电相转变时 高温相的两个相邻晶胞产生反平行的电偶极子而成为子晶格 两者构成一个新的晶胞 因此晶胞的体积增大一倍 其自由能与该晶体的铁电态自由能很接近因而在外加电场作用下 它可由反极性相转变到铁电相 故可观察到双电滞回线 这种性质称为反铁电性钙钛矿结构具有钙钛矿结构的铁电压电陶瓷属于 型氧八面体铁电体其中 为一价或二价金属离子而 为四价或五价金属 半径较大的 正离子半径较小的 正离子和氧离子分别位于晶胞格子的顶角 体心和面心 如图 所示 这种结构也可看成是一组 八面体按简立方图样排列而成各氧八面体由公

7、有的氧离子联结 正离子占据氧八面体之间的空隙 钙钛矿原胞是立方的也可畸变成具有三角和四方对称性 钛酸钡钛酸铅 锆钛酸铅和 等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构图 钙钛矿结构示意图钨青铜结构具有钨青铜结构的铁电 压电陶瓷也属于 型氧八面体铁电体 一个四方晶胞包含 个八面体 它们由其顶角按一定方式相互联结而成偏铌酸铅和铌酸锶钡等铁电压电陶瓷具有钨青铜结构铋层状结构铋层状结构可以看成是由氧八面体类钙钛矿层与 层交替叠成的 其中类钙钛矿层可以是一层 如 二层如 三层 如 以至五层 在类钙钛矿层中其正离子可被许多离子取代焦绿石结构焦绿石结构是由共同顶角的 或 氧八面体组成 而较大的 或 离子位于氧八面体之间的间

8、隙中 这种结构的铁电体仅出现在 和 等有限几种化合物中居里温度铁电或反铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电或反铁电性它有一临界温度 当温度高于 时 铁电 或反铁电 陶瓷发生结构相转变 由铁电 或反铁电相转变为顺电相 自发极化消失 这个临界温度 就称为铁电或反铁电陶瓷的居里温度压电效应对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移 产生极化 从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷 在一定应力范围内 机械力与电荷呈线性可逆关系 这种现象称为压电效应或正压电效应 反之 如果将具有压电效应的介质置于外电场中 由于电场的作用会引起介质内部正负电荷中心位移而这一位移又导致介质发生形变 在一

9、定电场强度范围内电场强度与形变呈线性可逆关系 这种效应称为逆压电效应热释电效应由于温度的变化 热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移 使它们的自发极化强度发生变化 从而在它们的两端产生异号的束缚电荷 这种现象称为热释电效应 具有这种性质的材料称为热释电体 压电陶瓷属于热释电体 若不考虑温度的不均匀性 热释电体一般具有一级和二级热释电效应 其中二级热释电效应是由于温度变化引起材料形变 再由压电效应产生电荷的二级效应 一般情况下 若温度变化率相同升降温过程中产生的热释电电荷大小相等但符号相反陶瓷种类铁电陶瓷具有铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷 从晶体结构来看 铁电陶瓷的主晶相具有钙钛矿结构钨

10、青铜结构铋层状结构和焦绿石结构等反铁电陶瓷具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷压电陶瓷具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷 由于未经极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向 故没有压电性 极化处理使其自发极化沿极化电场方向择优取向 在撤去电场后陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化故使陶瓷体有了压电性成为压电陶瓷在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿型结构的铁电陶瓷 它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料 预先合成后再在高温下烧结而成的钛酸铅陶瓷钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿型结构的铁电陶瓷 它通常是由四氧化三铅或氧化铅 和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在

11、高温下烧结而成的二元系陶瓷二元系压电陶瓷是两种化学通式为 型结构的化合物所形成的固溶体 其中 代表二价的正离子 等或一价正离子 等 代表四价的正离子或五价的 等 最常见的二元系压电陶瓷是 通过调节两种 型结构的克分子比以及用取代元素和添加物改性的方法可以获得各种不同性能和不同用途的材料锆钛酸铅陶瓷锆钛酸铅陶瓷通常简称为 陶瓷这种压电陶瓷目前受到广泛应用 它是 和的固溶体 具有钙钛矿型结构 当锆钛比为 左右 即共晶相界附近 时 具有最强的压电性能三元系陶瓷三元系陶瓷通常是在具有钙钛矿型结构的锆钛酸铅 二元系中再增加第三种化学通式为 型 化合物而形成的三元系固溶体 所增加的第三种成分 它们的共同特

12、点是在掺入 之中形成固溶体后不改变整个晶格的钙钛矿型结构铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷是具有氧八面体结构的铁电陶瓷各种铌酸盐陶瓷分别具有钙钛矿型 如钨青铜型 如偏铌酸铅 和焦绿石型 如 等结构 它们的居里温度高介电常数小和声速大尤其偏铌酸铅的机械品质因数 很低适用于超声检测电光透明铁电陶瓷通常指掺镧 的锆钛酸铅 陶瓷简称 另外还有掺铋的锆钛酸铅等 它们都有电光效应 在铁电陶瓷中电畴状态的变化伴随着光学性质的改变 通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制 可有电控双折射 细晶陶瓷和电控光散射 粗晶陶瓷 等特性正温度系数热敏电阻陶瓷在一定温度区间内电阻率具有正温度系数的陶瓷称为 陶瓷铁电陶瓷薄膜铁电

13、陶瓷薄膜是具有铁电性的多晶膜可具有压电和热释电性以及线性或二次电光效应和非线性光学效应等特性 可用它制造热释电探测器以及随机读取存储器等 并便于器件的小型化以及与微电子学和光电子学集成目前制备铁电陶瓷薄膜的主要方法有分子束外延磁控溅射 化学气相沉积和溶胶凝胶等方法 薄膜基片和晶化温度对薄膜晶粒的取向度有重要影响压电复合材料压电复合材料一般是由压电陶瓷和高分子聚合物 或其它材料 复合而成的 通过改变复合材料中各组元所占的体积或重量百分比 各组元自身在三维空间里相互的联结方法 各组元的内部结构及其在空间配置上的对称性可大幅度地调整复合材料的某些物理性质 因此可根据实际需要设计压电复合材料制造性能最

14、佳的压电换能器 例如锆钛酸铅压电陶瓷和高分子聚合物的复合材料其等静压压电应变常数 比锆钛酸铅压电陶瓷的 值大得多 而且其电容率 也有较大的下降 因此 用复合材料制造的压电水声换能器的优值 见式 可以提高几个数量级性能与测试自由电容率 自由介电常数电介质在应力为零 或常数时的电容率称为自由电容率它是一个二阶对称张量 用表示 其单位为 上角标 表示应力为零 或常数 下角标 表示电位移分量的方向表示电场分量的方向压电陶瓷有两个独立的自由电容率 它们是 和受夹电容率 受夹介电常数电介质在应变为零 或常数时的电容率称为受夹电容率它是一个二阶对称张量 用表示 其单位为 上角标 表示应变为零 或常数 下角标

15、 表示电位移分量的方向表示电场分量的方向压电陶瓷有两个独立的受夹电容率 它们是 和相对电容率 相对介电常数相对电容率是电介质的电容率 与真空电容率 之比值 它是一个无因次的物理量 用 表示压电陶瓷的相对电容率有式中 真空电容率介电损耗电介质在电场作用下 由于电极化弛豫过程和漏导等原因在介质内所损耗的能量称为介电损耗损耗角正切理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流相位比电压相位超前 但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗故电流超前的相位角 小于 其余角 称为损耗角 见图通过电容 的交变电流 交变电压 角频率 试样的等效并联电容 试样的等效并联电阻 通过试样的电流图 电压和电流的相位图损耗角正切 表示

16、电介质的有功功率损失功率 与无功功率 之比见式 它是一个无因次的物理量通常用来表示介电损耗的大小电学品质因数电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数用 表示见式 它是一个无因次的物理量表面电阻率表面电阻率 又称比表面电阻 其值等于电介质表面上相距单位距离的两个单位长度电极之间所具有的电阻单位为体积电阻率体积电阻率 又称比体积电阻 其值等于边长和体积都为一个单位的样品所具有的电阻 单位为电导率电阻率的倒数 表面电导率和体积电导率分别等于表面电阻率和体积电阻率的倒数 单位分别为和介质隔离率介质隔离率是表示电介质的电场强度 随电位移 变化的参数它是一个二阶对称张量 用表示 它是 矩阵的逆矩阵 其

17、单位是 它的定义见式压电陶瓷有两个独立的介质隔离率它们是 和 介质隔离率 与力学边界条件有关 电介质在应力为零 或常数时的介质隔离率为自由介质隔离率 用 表示 电介质在应变为零或常数时的介质隔离率为受夹介质隔离率用 表示绝缘强度绝缘强度或称介电强度系指单位厚度的铁电压电陶瓷被电场击穿而失去绝缘性能时所需的电压数值材料的绝缘强度与电压波形有关 可根据不同的用途分别在直流电压交流电压和脉冲电压下予以测定电致伸缩系数在电场作用下 任何电介质都会因感应极化而产生电致伸缩 由感应极化引起的应变近似与极化强度的平方成正比 其比例系数即为电致伸缩系数 用 表示的第一个下标表示应变分量的方向第二个和第三个下标

18、表示极化强度分量的方向 电致伸缩系数的单位是电致伸缩效应是一个二次方效应故其形变与外电场的极性符号 无关压电常数压电常数是反映压电材料中的力学量和电学量之间耦合关系的参数它是一个三阶张量 有四种压电常数 它们是 和 压电常数 和 的第一个下标表示电场强度 或电位移 的分量 第二个下标表示应力 或应变 的分量压电应变常数压电应变常数 的定义见式即压电应变常数 是在电场强度 和应力分量 都为零 或常数时应力分量 的变化所引起的电位移分量 变化与 的变化之比或者是在应力 和电场强度分量 为零 或常数时电场强度分量 的分量变化所引起的应变分量 变化与 的变化之比压电陶瓷的压电应变常数有三个独立分量它们

19、是 和 另外还有它们的单位是 或压电电压常数压电电压常数 的定义见式即压电电压常数 是在电位移 和应力分量 为零 或常数 时应力分量 的变化所引起的电场强度分量 变化与 的变化之比或者在应力 和电位移分量 为零 或常数 时 电场强度分量 的变化所引起的应变分量 变化与 的变化之比压电陶瓷的压电电压常数有三个独立分量它们是 和 另外 还有 它们的单位是 或压电应力常数压电应力常数 的定义见式即压电应力常数 是在电场强度 和应变分量 为零或常数 时 应变分量 的变化所引起的电位移分量 变化与 的变化之比 或者在应变 和电场强度分量 为零或常数 时电场强度分量 的变化所引起的应力分量 变化与 的变化

20、之比压电陶瓷的压电应力常数有三个独立分量它们是 和 另外 还有 它们的单位是 或压电劲度常数压电劲度常数 的定义见式即压电劲度常数 是在电位移 和应变分量 为零 或常数时应变分量 的变化所引起的电场强度分量 变化与 的变化之比 或者在应变 和电位移分量 为零或常数 时 电位移分量 的变化所引起的应力分量 变化与 的变化之比压电陶瓷的压电劲度常数有三个独立分量它们是 和 另外还有 它们的单位是 或等静压压电应变常数等静压压电应变常数 是在电场强度 为零或常数时等静压应力 的变化所引起的电位移分量 变化与 的变化之比 其数学表示式见式它的单位是 或弹性常数弹性常数是反映弹性体的形变与作用力之间关系

21、的参数 表征压电陶瓷通常所使用的弹性常数有 弹性柔顺常数 弹性刚度常数 和泊松比 等弹性柔顺常数 和弹性刚度常数 都是四阶对称张量 的第一个下标 表示应变分量的方向 第二个下标 表示应力分量的方向 的第一个下标 表示应力分量的方向第二个下标表示应变分量的方向 的单位是 的单位是对于压电体 由于存在着压电效应弹性常数的数值与电学边界条件有关 在电场强度 为零或常数 时测得的弹性常数称为短路弹性常数 加上角标 表示如 在电位移 为零或常数时测得的弹性常数称为开路弹性常数 加上角标 表示如弹性柔顺常数 表示物体在单位应力作用下所产生的应变 为短路弹性柔顺常数其数学表示式见式即它是试样处于电学短路状态

22、下测得的弹性柔顺常数 为开路弹性柔顺常数 其数学表示式见式即它是试样处于电学开路状态下测得的弹性柔顺常数 弹性刚度常数 表示使物体产生单位应变所需要的应力 为短路弹性刚度常数其数学表示式见式即它是试样处于电学短路状态下测得的弹性刚度常数 为开路弹性刚度常数 其数学表示式见式即它是试样处于电学开路状态下测得的弹性刚度常数常用压电陶瓷的 和 各只有五个是独立分量 它们是 和 另外还有 和泊松比泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比 是一个无因次的物理量用表示对于压电陶瓷来说由于垂直于极化轴 即 方向的平面内是各向同性的 即 因此 该平面内的泊松比见式式中的负号是由于 为正值而添

23、加的耐冲击强度它是反映材料承受外界动态负荷作用的能力用冲锤由恒定高度自由下落冲击陶瓷试样 直至破坏 并以正比于冲击次数的重锤所做的总功 表征它 见式式中 总功冲击次数冲锤质量重力加速度冲锤的下落高度抗弯强度抗弯强度系指材料受弯曲力作用而被破坏的最大应力 其单位为抗张强度抗张强度系指材料受拉张应力而断裂的最大应力 其单位为线膨胀系数线膨胀系数 系指在某一温度范围内 温度改变 时物体线尺寸的相对变化值见式式中 线膨胀系数的单位为初始温度 时的物体长度温度 时的物体长度温度导热系数导热系数或称热导率它描写材料的散热能力 其数值等于单位时间内流过单位面积的热量与温度梯度的负值之比热释电系数在某一温度下

24、极化强度 随温度的变化率称为 方向的热释电系数用 表示其数学表示式见式其中其中 为线膨胀系数 为压电应力常数 为电场强度 和应变 恒定时的热释电系数 称为一级热释电系数 表示压电效应对热释电系数 的贡献部分 称为二级热释电系数 热释电系数的单位是静态法在试样上外加一个恒定力 或恒定电场 通过测量试样所产生的电荷 或应变而测定材料的压电常数的方法称为静态法准静态法在试样上施加一低频 远低于试样谐振频率交变力 或交变电压 通过测量试样上所产生的同频率电荷信号 或应变 而测定材料压电常数的方法称为准静态法谐振反谐振法通过测量压电陶瓷振子的特征频率 例如谐振频率 并利用一些参数 如密度 振子尺寸等确定

25、振子材料的弹性常数压电常数和机电耦合系数的方法称为谐振反谐振法 也称为动态法泛音法利用厚度振动模振子的泛音频率与基频之比值来确定压电材料的机电耦合系数 或 的方法称为泛音法传输线路法通过测量包含被测压电振子在内的传输网络的最大传输频率 和最小传输频率 从而较精确地测定被测振子的串联谐振频率 和并联谐振频率 的方法称为传输线路法另外在 频率下利用无感电阻箱以替代法测出被测振子最小阻抗的绝对值为 在一级近似下 即等于被测振子的动态电阻通常采用的传输网络有定电压传输线路和定电流传输线路导纳圆法利用导纳电桥测量压电振子在谐振频率附近的导纳圆 再由导纳圆确定振子参数的方法称为导纳圆法压电陶瓷振子经过极化

26、处理有激励电极而能通过逆压电效应激励振动的压电陶瓷元件称为压电陶瓷振子压电振子等效电路用机电类比的方法 在不考虑介电损耗的条件下 低阻尼单一振动模式的压电振子在谐振频率附近的参数和特性用一相应的电路来表示 这个电路称为压电振子的等效电路通常的简化等效电路如图 所示 图中的 为动态电感 为动态电容 为动态电阻它们与压电振子的力学参数和机电转换系数有关 为与频率有关的并联电容图 压电振子的简化等效电路压电振子的导纳和阻抗圆根据图 压电振子等效电路的串联支路的导纳为式可以证明 在谐振频率附近随着频率的变化 在电导电纳复数平面上导纳 的矢量终端的轨迹是一个圆 若并联支路的导纳 在谐振频率附近的变化 很

27、小则可把 近似地看作一常数 因此 把 矢量终端在复数平面上的轨迹圆沿电纳轴平移 即可得到压电振子导纳 的矢量终端的轨迹圆通常称为导纳圆如图 所示同样在谐振频率附近 我们可以得到如图 所示的阻抗圆导纳圆阻抗圆最大导纳 最小导纳 谐振电阻 最小阻抗 最大阻抗图 压电振子的导纳圆和阻抗圆从图 可以确定压电振子的以下六个特征频率串联谐振频率并联谐振频率谐振频率反谐振频率最大导纳频率最小导纳频率应该注意压电振子的导纳或阻抗圆表示法只有在导纳圆的直径远大于并联支路的导纳在谐振范围内的变化或电容比 远小于 的情况下才是正确的串联谐振频率压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率用 表示 见式它是电

28、学短路条件下的一个驻波频率并联谐振频率压电振子等效电路并联回路的谐振频率称为并联谐振频率 用 表示见式它是电学开路条件下的一个驻波频率谐振频率使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率用 表示反谐振频率使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率 用 表示最大导纳频率压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率 这时振子的阻抗最小故又称为最小阻抗频率用 表示最小导纳频率压电振子导纳最小时的频率称为最小导纳频率 这时振子的阻抗最大故又称为最大阻抗频率用 表示基频给定的一种振动模式中最低的谐振频率称为基音频率 通常简称为基频泛音频率对于非简谐振动模式给定的一种振动模式中

29、基频以外的谐振频率称为泛音频率自由电容自由电容系指压电振子在应力为零 或常数 状态下的电容 它的值等于频率远低于振子的最低谐振频率时的电容 用 表示 其单位为受夹电容受夹电容系指压电振子在应变为零 或常数 状态下的电容 用 表示其单位为部分受夹电容压电振子既不完全自由 又不完全夹持时的电容称为部分受夹电容 用 表示 其单位为 由 所确定的振子材料的电容率称为部分受夹电容率用 表示动态电阻它是压电振子等效电路串联支路中表示机械损耗的电阻用 表示机械品质因数压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数它是一个无因次的物理量 用 表示 它反映压电体振动时因内阻尼而消

30、耗的能量的多少 它与振子参数的关系式见式式中电容比压电振子的并联电容 与动态电容 之比称为电容比用 表示 即压电振子的优值压电振子的机械品质因数 与电容比 之比称为压电振子的优值用 表示频率常数对于径向伸缩振动模式和横向长度伸缩振动模式其频率常数为串联谐振频率 与决定此频率的振子尺寸直径或长度 的乘积 对于纵向长度伸缩振动模式厚度伸缩振动模式和厚度切变振动模式 其频率常数为并联谐振频率 与决定此频率的振子尺寸 长度或厚度 的乘积 频率常数是材料常数 用 表示 频率常数的单位是振动模式在外加电场的激励下 压电振子作为一个弹性体而产生满足一定边界条件 振幅按一定形式分布的驻波振动其振动方式就称为振

31、动模式 压电陶瓷的振动模式有伸缩振动切变振动弯曲振动 轮廓振动和扭转振动等类型径向伸缩振动模式两主表面被敷电极 沿厚度方向极化的薄压电陶瓷片见图 在外加激励电场作用下 产生沿半径方向的伸缩振动这种振动方式称为径向伸缩振动模式其振动方向和弹性波的传播方向都平行于半径方向圆片边缘的振幅最大其节线为一些同心圆 在基频时其节点为圆心图 径向伸缩振动模式横向长度伸缩振动模式两主表面被敷电极 沿厚度方向极化的薄长片 在外加激励电场的作用下产生长度伸缩振动 这时弹性波的传播方向垂直于激励电场方向故这种振动模式称为横向长度伸缩振动模式 如图所示 薄长片只能激励奇次振动模式它们分别有 条节线 基音模式的节线在薄

32、长片的中央 两端的振幅最大图 横向长度伸缩振动模式纵向长度伸缩振动模式两端面被敷电极沿长度方向极化 截面是圆的或方的棒形振子 在外加激励电场的作用下产生长度伸缩振动 其弹性波的传播方向平行于激励电场方向 故这种振动模式称为纵向长度伸缩振动模式 如图 所示图 纵向长度伸缩振动模式厚度伸缩振动模式两主表面被敷电极 沿厚度方向极化的压电陶瓷薄片 在激励电场的作用下产生厚度方向的伸缩振动 这种振动方式称为厚度伸缩振动模式 如图 所示 当试样的厚度远小于它的侧向尺寸时其振动方向和弹性波的传播方向都垂直于主表面属于平面纵波图 厚度伸缩振动模式厚度切变振动模式当矩形板振子沿长度方向极化 而在一对平行于长度方

33、向的主表面上被敷激励电极时 在激励电场的作用下 薄片产生沿厚度方向传播的切变振动这种振动方式称为厚度切变振动模式 如图所示振子的振动方向平行于极化方向 弹性波的传播方向平行于激励电场的方向 属于横波图 厚度切变振动模式机电耦合系数机电耦合系数是表示压电体中机械能和电能相互耦合程度的一个参数其定义为通过逆压电效应转换的电能输入的总电能或通过正压电效应转换的机械能输入的总机械能当压电体受到一个外加应力或外加电场作用时 假定某一体积元的弹性能密度为 介电能密度为 弹性介电相互作用能又称压电能 密度为 则其体积元的机电耦合系数可定义为式即机电耦合系数 是弹性介电相互作用能密度与弹性能密度和介电能密度的

34、几何平均值之比它与各压电常数 和 的关系为式式中 自由电容率短路弹性柔顺常数受夹电容率开路弹性刚度常数压电陶瓷常用的有下面五个基本耦合系数平面机电耦合系数它是反映薄圆片作径向伸缩振动时的机电耦合效应的一个参数横向机电耦合系数它是反映薄长片沿厚度方向极化和电激励 作长度伸缩振动时的机电耦合效应的一个参数纵向机电耦合系数它是反映细棒沿长度方向极化和电激励作长度伸缩振动时的机电耦合效应的一个参数厚度伸缩振动机电耦合系数它是反映薄片沿厚度方向极化和电激励作厚度伸缩振动时的机电耦合效应的一个参数厚度切变振动机电耦合系数它是反映矩形板沿长度方向极化 激励电场的方向垂直于极化方向 作厚度切变振动时的机电耦合

35、效应的一个参数声表面波机电耦合系数它是表示转换电能与表面声波能的能力大小的参数 用 表示见式式中 材料自由表面上的声速材料自由表面上的声速 与材料金属化表面上的声速 之差十倍时间老化率压电陶瓷极化后的性能参数随时间而变化的特性通常称为时间老化 这些性能参数的变化基本上与时间的对数成线性关系 见式式中 压电陶瓷极化后经过时间 测得的某参数的数值极化后经过时间 测得的某参数的数值对数曲线的斜率通常称为十倍时间老化率 也称为老化系数基本上是一个常数 随时间缓慢地变化 则表示该参数随时间而增大 则表示该参数随时间而减小 的绝对值小 表示该参数随时间变化慢 即时间稳定性好 的绝对值大 表示该参数随时间变

36、化快 即时间稳定性差温度稳定性温度稳定性系指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性 一般描述温度稳定性的方法有两种 即利用温度系数或最大相对漂移来描述在某一温度下 温度变化 时某参数 的数值变化与该温度下此参数的数值之比 称为此参数的温度系数 它可表示为式式中 为参数 随温度的变化率 因此频率温度系数可表示为式压电陶瓷的各种参数随温度的变化是非线性的 它们的温度系数也是温度的函数另外通常还用最大相对漂移来表征某一参数的温度稳定性 例如 用正温最大相对漂移 和负温最大相对漂移 的方法来表征压电陶瓷的谐振频率随温度的变化特性其关系为正温最大相对频移 正温最大负温最大相对频移 负温最大式中 室温 时测得的

37、频率值正温最大 正温度范围内如 相对于 的频率变化最大值负温最大 负温范围内如 相对于 的频率变化最大值工艺及其它极化处理在某一温度下 对铁电陶瓷样品外加一直流电场 使原来随意取向的铁电畴沿电场方向取向的过程称为极化处理预烧又称煅烧 系指将已混合的原材料粉料或压块在稍低于成瓷的温度下进行固相反应的过程粉碎利用球磨机振磨机 气流粉碎机等将原料或瓷料粉碎到一定细度的过程 它是陶瓷生产中极重要的工艺过程之一球磨用球磨机借助于磨球将各种原料或瓷料磨细和均匀混合的工艺过程 球磨分干磨和湿磨两种振动磨由振磨机通过磨球与各种原料或瓷料强烈振动时彼此撞击而将其粉碎和均匀混合的工艺过程造粒将粉料或料浆加工成为有

38、一定大小粒状体的过程称为造粒 其方法有预压造粒与喷雾干燥造粒其中预压造粒是将陶瓷粉料加适当的粘合剂 再经预压 打碎和过筛而造成一定大小颗粒的过程喷雾干燥把料浆经喷嘴喷成雾状 并在高速热风作用下进行干燥和造粒的工艺过程成型采用机械和其它方法将瓷料制成具有一定形状和大小的坯件的工艺过程 中干压成型将造粒后的坯料通过模具在压床上加压成型轧膜成型轧膜是成型陶瓷薄膜的一种方法 把粉料与有机粘合剂按一定比例均匀搅拌混合 放在轧膜机的轧辊上反复混轧均匀 使粘合剂与粉料分布均匀 溶剂逐渐挥发坯料不再粘轧辊把混轧后的坯料经过折叠 倒向等操作反复进行粗轧 使气泡排出 膜厚均匀 再由粗轧到精轧成厚度均匀的薄膜 最后

39、经切片或冲压成各种片状坯件流延成型流延工艺首先将粉料与有机粘合剂 溶剂等按适当比例混匀 除去气泡制成料浆 再将料浆送入流延机加料斗内 并从流延嘴内流出被刮刀刮成一条连续平整的浆料薄层附在传送带上向前移动 经烘干剥离成带状薄膜 再经切片或冲压成各种片状坯件等静压成型将粉料装入模袋或模具内 用等静压成型机使其均匀受压而制成坯件的工艺过程排胶又称排塑系指在一定的温度下将陶瓷坯件中所含的有机物排除掉 同时增强坯体强度的工艺过程烧结指陶瓷坯件在高温下进行物理化学变化固结并减少气孔 形成致密结构的过程烧结温度指陶瓷坯件在烧成过程中的最高温度烧结气氛系指烧成过程中炉 或窑 内气氛的性质及其氧化能力 通常可分

40、为氧化气氛和还原气氛银浆用银粉或银化合物的粉末与助溶剂 粘合剂 稀释剂等配制而成的浆料被银把银浆通过喷涂或印刷等工艺在介质表面覆盖一层银浆的工艺操作 中汉语索引被银铋层状结构表面电阻率并联谐振频率部分受夹电容成型串联谐振频率传输线路法导纳圆法导热系数等静压成型等静压压电应变常数电导率电光透明铁电 陶瓷电容比电学品质因数电滞回线电致伸缩系数动态电阻二元系陶瓷反铁电陶瓷反铁电性反谐振频率泛音法泛音频率粉碎钙钛矿结构干压成型锆钛酸铅陶瓷厚度切变振动模式厚度伸缩振动模式横向长度伸缩振动模式机电耦合系数焦绿石结构介电损耗介质隔离率极化极化处理静态法径向伸缩振动模式机械品质因数基频居里温度绝缘强度抗弯强度

41、抗张强度流延成型耐冲击强度铌酸盐系压电陶瓷排胶喷雾干燥频率常数泊松比球磨热释电系数热释电效应三元系陶瓷烧结烧结温度烧结气氛声表面波机电耦合系数十倍时间老化率受夹电容受夹电容率受夹介电常数损耗角正切钛酸钡陶瓷钛酸铅陶瓷弹性常数铁电畴铁电陶瓷铁电陶瓷薄膜铁电性体积电阻率透明铁电陶瓷温度稳定性钨青铜结构线膨胀系数相对电容率相对介电常数谐振反谐振法谐振频率压电常数压电电压常数压电复合材料压电劲度常数压电陶瓷压电陶瓷振子压电效应压电振子的导纳和阻抗圆压电振子等效电路压电振子的优值压电应变常数压电应力常数轧膜成型银浆预烧造粒振动磨振动模式正温度系数热敏电阻陶瓷自发极化自由电容自由电容率自由介电常数纵向长度

42、伸缩振动模式最大导纳频率最小导纳频率准静态法英文索引GB/T 3389. 1 -1996 electromechanical coupling factor . . . 6. 58 electro-optic (transparent ferroelectric) ceramics . .u. . 5.10 electrostrictive coefficient .u.u. .u. . 6.12 equiwlent circuit of piezoelectric vibrator .u.u.u. . 6. 34 F ferroelectric cerami届.u.u.5.1 ferroel

43、ectric ceramic thin films .u.u.ouo. . 5. 12 ferroelectric domain .u. .u.u.4.4 ferroelectric hysteresis loop 4.5 ferroelectricity 4.3 fiqure of merit for piezoelectric vibrator .u.u. . . 6. 50 forming . . . . 7.8 free capacitance . . . 6.44 free dielectric constant . . . 6. 1 free permitti世ty. . . 6.

44、 1 frequency cons tantm fundamental frequency . . . 6. 42 G granulation 7.6 grind恤g. . . 7. 3 H hydrostatic piezoelectric stra口1cons tant . 6. 18 I impact resistance .n. . . . 6. 21 isostatic pr国sing7.12L lead tit咀.teceramics . . . . 5. 5 lead zirconate-tit田咀.tecerami国5.7longitud拉回1length extension vibration mode . . 6. 55 M maximum admittance frequency . .